掀開(kāi)情境面紗 建構(gòu)物理模型

張曉斌

（福安市第一中學(xué)，福建 福安 355000）

隨著2017 版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布，高考內(nèi)容改革隨之全方面推進(jìn)，“一體四層四翼”深入人心。“知識(shí)立意、能力立意、素養(yǎng)立意”成為高考命題實(shí)現(xiàn)考查目標(biāo)的依據(jù)。物理學(xué)科的5 個(gè)關(guān)鍵能力，其中一個(gè)便是模型建構(gòu)能力。20 世紀(jì)初，國(guó)外就有許多學(xué)者開(kāi)始研究模型以及模型教學(xué)，這些研究也在啟發(fā)著國(guó)內(nèi)學(xué)者。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國(guó)教學(xué)的特點(diǎn)也對(duì)模型教學(xué)進(jìn)行了深入的探索與研究。通過(guò)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)在基礎(chǔ)科學(xué)的物理學(xué)中搜索關(guān)鍵詞“模型”，發(fā)現(xiàn)有48734 條相關(guān)文獻(xiàn)，在基礎(chǔ)教育期刊（高中）中搜索主題“物理模型”，發(fā)現(xiàn)有3700 條相關(guān)文獻(xiàn)，由此可知物理模型建構(gòu)一直以來(lái)都是研究焦點(diǎn)。

一、問(wèn)題的提出

模型建構(gòu)能力是物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力之一，對(duì)促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法以及科學(xué)本質(zhì)具有深刻意義。2019 年出版的《高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》中明確提出“基于已有的實(shí)證調(diào)研和文獻(xiàn)分析研究結(jié)果，高考通過(guò)設(shè)置不同層級(jí)的情境活動(dòng)來(lái)考查學(xué)生在‘四層’內(nèi)容上的表現(xiàn)水平”。因此如何剖析不同層級(jí)的情境將物理模型建構(gòu)出來(lái)就是解決物理問(wèn)題的一個(gè)重要突破口。《高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》將情境分成兩類(lèi)“生活實(shí)踐情境”和“學(xué)習(xí)探索情境”，前者與物理中的模型關(guān)聯(lián)大，考查學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，后者則強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究素養(yǎng)。高考題如何體現(xiàn)情境，解題時(shí)考生又如何撥開(kāi)情境建立模型解決物理問(wèn)題？本文將從“生活實(shí)踐情境”出發(fā)，以高考題為例分析“去情境、建模型”。

二、剖析“生活實(shí)踐情境”，建構(gòu)物理模型

自物理模型提出以來(lái)，就有大量的教師、學(xué)者對(duì)模型進(jìn)行分類(lèi)。其中黃書(shū)鵬、汪崇渝、張濱等人將物理模型分為兩種：理想模型和實(shí)物模型。理想模型包含了對(duì)象模型、條件模型、過(guò)程模型、理論模型以及問(wèn)題模型。［1］對(duì)象模型往往作為一個(gè)支點(diǎn)以研究對(duì)象的形式穿插在其他模型中，例如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等。理論模型則常在天體運(yùn)動(dòng)中考查，例如宇宙大爆炸理論，黑洞模型等；考查最多的則是條件、過(guò)程、問(wèn)題模型，這些模型與日常生活以及生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)，考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象、解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題的能力。

基于情境的復(fù)雜程度，高考評(píng)價(jià)體系中的情境活動(dòng)可以分為兩層。第一層是簡(jiǎn)單的情境活動(dòng)。此類(lèi)情境活動(dòng)中，需要啟動(dòng)的是單一的認(rèn)知活動(dòng)，即面對(duì)問(wèn)題時(shí)只需要調(diào)動(dòng)某一知識(shí)點(diǎn)或某種基本能力便可解決。因此，通過(guò)這類(lèi)情境測(cè)評(píng)出的是學(xué)生基本的知識(shí)和能力水平。第二層是復(fù)雜的情境活動(dòng)。此類(lèi)情境活動(dòng)涉及的是復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)，主要考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和能力應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的水平。

（一）生活實(shí)踐情境中的條件模型

條件模型是指舍去問(wèn)題中的次要因素，抓住主要因素，分析問(wèn)題的本質(zhì)，將研究對(duì)象的外部條件理想化建立簡(jiǎn)單的物理模型。例如：光滑、輕繩、輕桿、輕彈簧、彈性正碰等條件模型。

［例1］2019 年全國(guó)III 卷第16 題：用卡車(chē)運(yùn)輸質(zhì)量為m 的勻質(zhì)圓筒狀工件，為使工件保持固定，將其置于兩光滑斜面之間，如圖1 所示。兩斜面I、Ⅱ固定在車(chē)上，傾角分別為30°和60°。重力加速度為g。當(dāng)卡車(chē)沿平直公路勻速行駛時(shí)，圓筒對(duì)斜面I、Ⅱ壓力的大小分別為F1、F2，則

圖1

［答案］D

［情境與模型］

本題依托在卡車(chē)運(yùn)輸工件的生活情景中，將實(shí)際生活中的外部條件理想化，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)斜面光滑的條件模型。在解決物理問(wèn)題時(shí)又忽略圓筒形狀和大小將圓筒看作質(zhì)點(diǎn)，建立了質(zhì)點(diǎn)模型。此時(shí)再對(duì)圓筒受力分析便可得出此題要考查的知識(shí)點(diǎn)為三個(gè)共點(diǎn)力的平衡問(wèn)題。知道考點(diǎn)結(jié)合數(shù)學(xué)中的幾何知識(shí)便可得出圓筒所受支持力與重力的關(guān)系，由此找到本題突破口。此類(lèi)情境屬于第一層簡(jiǎn)單情境，只需調(diào)動(dòng)共點(diǎn)力平衡的知識(shí)利用三角函數(shù)關(guān)系便可求出相應(yīng)的物理量。

（二）生活實(shí)踐情境中的過(guò)程模型

過(guò)程模型顧名思義就是將物理過(guò)程建立一個(gè)模型來(lái)分析。在建立模型時(shí)需將一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程根據(jù)研究問(wèn)題的需要忽略次要因素抓住主要因素進(jìn)行理想化后抽象出一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的物理過(guò)程。例如：勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型、勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型等。

［例2］2019 年全國(guó)I 卷第18 題：如圖2 所示，籃球架下的運(yùn)動(dòng)員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H。上升第一個(gè)所用的時(shí)間為t1，第四個(gè)所用的時(shí)間為t2。不計(jì)空氣阻力，則滿足

圖2

［答案］C

［情境與模型］

本題依托在籃球架下的運(yùn)動(dòng)員起跳扣籃的情境下，將實(shí)際扣籃運(yùn)動(dòng)理想化成垂直起跳，不計(jì)空氣阻力，建構(gòu)了一個(gè)豎直上拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程模型，而豎直上拋運(yùn)動(dòng)到達(dá)最高點(diǎn)的逆過(guò)程是初速度為0 的勻加速直線運(yùn)動(dòng)模型。根據(jù)初速度為0 的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，相鄰相等位移的時(shí)間比為1：

則可得出答案。此類(lèi)情境屬于第二類(lèi)復(fù)雜情境，此題除了建構(gòu)出豎直上拋模型，還要曉得豎直上拋到最高點(diǎn)的逆過(guò)程是自由落體，并結(jié)合相應(yīng)的比例式進(jìn)行綜合分析才能得到正確的選項(xiàng)。

（三）生活實(shí)踐情境中的問(wèn)題模型

問(wèn)題模型反映了特定的物理問(wèn)題、事物結(jié)構(gòu)以及物理本質(zhì)，蘊(yùn)含解決這類(lèi)物理問(wèn)題的物理知識(shí)、方法以及技巧，提供了解決這類(lèi)問(wèn)題的一般思路與步驟。［2］例如：板塊問(wèn)題模型、連接體問(wèn)題模型、汽車(chē)追及與相遇問(wèn)題模型、傳送帶問(wèn)題模型等。

［例3］2015 年全國(guó)II 卷第25 題：下暴雨時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生山體滑坡或泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。某地有一傾角為θ=37°（sin37°=0.6）的山坡C，上面有一質(zhì)量為m的石板B，其上下表面與斜坡平行；B 上有一碎石堆A（含有大量泥土），A 和B 均處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖3 所示。假設(shè)某次暴雨中，A 浸透雨水后總質(zhì)量也為m（可視為質(zhì)量不變的滑塊），在極短時(shí)間內(nèi)，A、B 間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1減小為，B、C 間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2減小為0.5，A、B 開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)；在第2s 末，B的上表面突然變?yōu)楣饣?，?保持不變。已知A 開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，A 離B 下邊緣的距離l=27m，C 足夠長(zhǎng)，設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力。重力加速度大小g 取10m/s2。求：

（1）在0～2s 時(shí)間內(nèi)A 和B 加速度的大??；

（2）A 在B 上總的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

圖3

［答案］（1）A 和B 加速度的大小分別為3m/s2和1m/s2；（2）A 在B 上總的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4s。

［情境與模型］

本題依托在暴雨時(shí)的泥石流或山體滑坡的自然情境中，理想化泥土和石板，建構(gòu)了一個(gè)板塊問(wèn)題的模型。此模型考查了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的綜合應(yīng)用和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系，對(duì)學(xué)生建構(gòu)的板塊模型多過(guò)程的分析要求高，思維量大。此類(lèi)情境屬于第二類(lèi)復(fù)雜情境，此題建構(gòu)出的板塊模型本就屬于高中知識(shí)的難點(diǎn)部分。此題情境多變，過(guò)程多樣，要求學(xué)生冷靜分析，很好地考查了學(xué)生的理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力。

三、明確關(guān)鍵詞撥開(kāi)情境建模型

情境作為串接金線（核心功能）和銀線（能力素養(yǎng)）的載體已在高考命題當(dāng)中體現(xiàn)出來(lái)。物理模型的建構(gòu)是基于真實(shí)的生活情境，因而要想撥開(kāi)情境就要明確物理模型的基本特征。從情境的切入模型的建構(gòu)都離不開(kāi)審題過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵詞的分析。

條件模型特征對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞如：“勻質(zhì)”“光滑”“輕繩”“輕桿”“輕彈簧”“彈性正碰”等；過(guò)程模型特征對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞如：拋體運(yùn)動(dòng)中的“忽略空氣阻力”、圓周運(yùn)動(dòng)的“圓軌道”等；問(wèn)題模型特征對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞如：板塊問(wèn)題模型的“滑塊與木板”、傳送帶問(wèn)題模型的“傳送帶”、行星共線問(wèn)題的“沖日、凌日、合日”等。

簡(jiǎn)而言之，我們可以將撥開(kāi)情境建模性的過(guò)程用下圖4 簡(jiǎn)單表示出來(lái)。

圖4

四、結(jié)語(yǔ)

高考以生活實(shí)踐問(wèn)題情境與學(xué)習(xí)探索問(wèn)題情境為載體，回歸人類(lèi)知識(shí)生產(chǎn)過(guò)程的本源，還原知識(shí)應(yīng)用的實(shí)際過(guò)程，符合人類(lèi)知識(shí)再生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)律。通過(guò)對(duì)情境的分析忽略次要因素，抓住主要因素，建立物理模型不僅可以對(duì)物理知識(shí)有更深刻的理解，同時(shí)讓學(xué)生從解題向解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變，感受物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用。因此在高中物理課程教學(xué)中，顯化物理科學(xué)模型的教育，將會(huì)提高教師的教學(xué)水平，發(fā)展學(xué)生的綜合能力。